Wodorowe ogniwa paliwowe szansą dla motoryzacji

• Strona główna
• Artykuły
• Wodorowe ogniwa paliwowe szansą dla motoryzacji

2022-07-20  / Autor: Karolina Lipiec

Zasada działania ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe to specjalne urządzenia, które energię chemiczną paliwa i utleniacza zamieniają bezpośrednio w energię elektryczną. Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, generują elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza. Pozwala to na uniknięcie emisji szkodliwych związków, m.in. tlenków azotu, siarki, węglowodorów powodujących powstawanie dziury ozonowej oraz tlenków węgla. Aktualnie w ogniwach paliwowych najczęściej wykorzystywanym paliwem jest wodór, stąd też mowa o wodorowych ogniwach paliwowych. Utleniaczem jest natomiast tlen, który jest dostarczany do takiego urządzenia w czystej postaci lub wraz z powietrzem atmosferycznym.

Ogniwo jest zbudowane z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody odseparowane są poprzez elektrolit występujący w formie płynnej lub jako ciało stałe. Elektrolit umożliwia przepływ kationów, natomiast uniemożliwia przepływ elektronów. Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło. Paliwo – wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami – jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a utleniacz – tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) – podawany jest w sposób ciągły do katody.

Wodór jest najczęściej wybieranym paliwem w większości ogniw. Decyduje o tym jego wysoka reaktywność w obecności odpowiednich katalizatorów, możliwość wyprodukowania go z węglowodorów oraz wysoka gęstość energii, kiedy ów wodór zgromadzony jest w postaci płynnej pod wysokim ciśnieniem w niskiej temperaturze. Wodór można pozyskać z wody w procesie elektrolizy, ale niestety w proces ten trzeba włożyć znaczną ilość energii. Poszukuje się zatem i próbuje wykorzystać inne źródła wodoru.

Wykorzystanie ogniw wodorowych

Ogniwa paliwowe mają cały szereg zalet. Do najważniejszych z nich należy to, że produkują energię elektryczną z paliw węglowodorowych bezpośrednio i stąd wynika względna prostota układu przetwarzania energii chemicznej na elektryczną. Duża sprawność przetwarzania energii chemicznej na elektryczną wyprzedza inne przetworniki energii. Sprawność ogniwa paliwowego w niewielkim stopniu zależy od wymiarów urządzenia. Produkty uboczne całego procesu, jak H₂O, CO₂ , N₂ są czyste i bez zapachu. Emisja SO₂ , NO_X , węglowodorów, tlenków węgla i cząstek stałych jest bardzo mała, tak samo, jak bardzo niski jest poziom hałasu i praktycznie dowolna i zajmująca mało miejsca lokalizacja. Ogniwa paliwowe mogą pracować bez przerwy, o ile tylko doprowadzane jest paliwo i utleniacz.

Minusem wodorowych ogniw paliwowych jest wciąż wysoki koszt materiałów wykorzystywanych do produkcji katalizatorów.

Aczkolwiek analizy wskazują, że potencjał redukcji kosztów produkcji ogniw paliwowych jest ogromny. Według amerykańskiego Departamentu Energii, przy produkcji 100 tys. ogniw paliwowych rocznie, same korzyści skali mogą skutkować spadkiem kosztów do poziomu 59 dol./kW. Dalsze ograniczenia kosztów będą możliwe poprzez zmniejszenie wykorzystania platyny używanej jako katalizator w ogniwach paliwowych, która odpowiada za ok. 40% kosztów budowy ogniwa paliwowego. W efekcie, do 2030 r. koszty ogniw paliwowych mogą spaść nawet o 70% (źródło informacji: Raport 300Research „Wodór – paliwo przyszłości").

Ponadto sprawność tego typu układów jest niższa niż podczas magazynowania energii w akumulatorach. Sam proces pozyskania wodoru również wymaga pewnego nakładu energii. Mimo tego wodór jest uznawany za pierwiastek o sporym potencjale w roli źródła energii zarówno dla samochodów, jak i w zastosowaniach stacjonarnych. Należy przy tym pamiętać, że wodorowe ogniwa paliwowe to technologia, która ciągle jest w fazie rozwoju.

Motoryzacja głównym kierunkiem użycia

Już dzisiaj wodorowe ogniwa paliwowe znajdują sporo zastosowań w różnych branżach: w energetyce przy dostarczaniu energii do miejsc, gdzie niemożliwe jest zapewnienie swobodnego dostępu do sieci energetycznej; w budowie robotów autonomicznych; w systemach zasilania alarmowego; w technologiach kosmicznych w ramach budowy statków i sond. Przede wszystkim jednak ich wykorzystanie kierowane jest na przemysł motoryzacyjny. Jednym z prekursorów w tego rodzaju działaniach jest koncern Toyota Motor Corporation. Tam, chociażby model Toyota Mirai oparto na napędzie FCV. W tym pojeździe pod podłogą znajdują się dwa zbiorniki na sprężony wodór. Dzięki temu samochód nie jest przeciążony, a przestrzeń w przedziale pasażerskim oraz w bagażniku jest znacznie większa niż w aucie spalinowym tej wielkości z tego samego segmentu. Wynika z tego, iż zastosowanie ogniw paliwowych nie ma wpływu na ograniczenie wielkości pojazdu. Generalnie jednak samochody napędzane wodorem powinny w nadchodzących latach zdobywać coraz większą popularność. Warto przy tej okazji wiedzieć, że pojazd z ogniwami paliwowymi (FCEV) jest również pojazdem elektrycznym. Samochód zawiera bowiem akumulator, silnik elektryczny i ogniwo paliwowe wraz ze zbiornikiem wodoru. Na pewno jednak wodorowe ogniwa paliwowe nie powinny być traktowane jako konkurent baterii litowo-jonowych, lecz jako komplementarne wobec nich, chociaż pojazdy z ogniwami paliwowymi są bezpieczniejsze, co wynika z dyfuzyjnych właściwości wodoru, lżejsze dzięki wyeliminowaniu bardzo ciężkich baterii oraz oferują znacznie lepszy czas ładowania, niż klasyczne pojazdy elektryczne. Tankowanie trwa tutaj krótko (3-5 minut) i nie różni się znacząco od konwencjonalnego tankowania. Auta wodorowe mogą zatem umożliwiać dekarbonizację tych segmentów sektora transportowego, w których wykorzystanie baterii litowo-jonowych może być bardzo kosztowne, uciążliwe lub wręcz niemożliwe.

CAŁA TREŚĆ DOSTĘPNA W "Chemia i Biznes" nr 3/2022

Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.

wodórtransport